| 研究課題/領域番号 |
16K13818
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| 研究機関 | 横浜国立大学 |
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研究代表者 |
小坂 英男 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (20361199)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 光物性 / ハイブリッド量子 / 量子情報物理 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では縮退した二準位に着目し、これを論理量子として幾何学的量子操作を行う幾何学的量子光学と呼ぶ学問領域を開拓することを目的とした。
物質系としてダイヤモンド中のドーパンドである単一窒素原子の色中心（NV中心）を用いた。磁場を完全に排除することで縮退したスピン部分系を論理的量子として用い、超広帯域のコヒーレントな電磁波で幾何学的量子制御するための準備として、本年度は下記の研究項目の実施を行った。
①縮退した幾何学的量子構造の構築に成功
幾何学的量子操作を行うには、磁場を完全に排除して物質系に縮退した幾何学的構造を形成することが必要となる。ダイヤモンド中のNV中心に捕獲された電子の軌道、スピンならびにＮＶを構成する窒素の核子スピンにおいて、完全に縮退した幾何学的量子を構築することに成功した。
②直交偏光アップコンバージョン法の構築に成功
幾何学的量子操作を行うには、波形・位相・周波数・偏光が制御されたコヒーレントな光波、マイクロ波、ラジオ波が必要である。デジタル波形によるマイクロ波基準周波数（LO）のＩＱ変調でアップコンバージョンされた任意波形のマイクロ波を生成し、さらにマイクロ波による光波基準周波数（LO）のＩＱ変調でアップコンバージョンされたで任意波形の光波を生成することに成功した。これにより、電子軌道、電子スピン、核スピンという１５桁に渡る周波数域に渡る物質量子のコヒーレント多重共鳴を可能とした。さらに、ＩＱ変調部を偏光サニャック干渉系に挿入することで偏光に応じたダブルパスとし、偏光の制御も可能とした。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初本年度に計画した①縮退した幾何学的量子構造の構築、②直交偏光アップコンバージョン法の構築に成功しただけでなく、次年度に計画した③幾何学的量子操作の予備実験にも成功した。
幾何学的量子操作の予備実験に成功
上述のアップコンバージョン法により生成した、波形・位相・周波数・偏光が制御されたコヒーレントな光波、マイクロ波、ラジオ波を用い、縮退した幾何学的量子構造にある電子スピン、核スピンの幾何学的量子操作の予備実験に成功した。
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| 今後の研究の推進方策 |
③光波およびマイクロ波による電子スピン縮退論理キュービットの幾何学的量子操作
本年度開発したアップコンバージョン法により生成した、波形・位相・周波数・偏光が制御されたコヒーレントな光波、マイクロ波、ラジオ波を用い、縮退した幾何学的量子構造にある電子スピン、核スピンの幾何学的量子操作を完成させる。特に電子と核子の量子もつれ操作を幾何学的量子操作で実現するという、当初計画した目標にはない挑戦的な目標に挑戦する。
④光子を媒介とした複数核スピン間の自発的量子もつれ生成
電子軌道・電子スピン・核スピンにそれぞれ共鳴する光波・マイクロ波・ラジオ波を同時照射することにより、多重散乱の効果で電子軌道・電子スピン・核スピンのコヒーレンス連鎖が起こると考えられる。まずは、電子、核子共に０状態に初期化する。コヒーレントなラジオ波とマイクロ波により、電子と核子のスピンは超微細相互作用の力で量子もつれ状態になる。またコヒーレントな光波により、電子の軌道とスピンもスピン軌道相互作用の力で量子もつれ状態になる。さらにこれらを同時照射することにより、ラジオ波、マイクロ波、光波のコヒーレンス連鎖が起こり、核スピンは電子を介して光波のコヒーレンスを受け取ることになる。核子が複数存在する系においては、それぞれの核子に対応するラジオ波とマイクロ波、そして共通の光波を同時照射することにより、光子を媒介とした複数核スピン間の自発的量子もつれ生成が可能と考える。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
直交偏光アップコンバージョン法の構築において、光波の周波数安定化には原子光学の技術を、マイクロ波帯およびラジオ波帯の同期と安定化には、原子時計で同期されたデジタル回路技術を応用する予定であった。しかしながら実験を進める過程において、現段階の目標精度ではこれらの技術を用いずとも直交偏光アップコンバージョン法の構築が実現可能であることが判明した。これらの導入は次年度に改めて検討することとした。
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| 次年度使用額の使用計画 |
原子光学の技術導入による光波の周波数安定化、ならびに原子時計で同期されたデジタル回路技術の導入によるマイクロ波帯およびラジオ波帯の同期と安定化を引き続き検討する。また、光波、マイクロ波帯およびラジオ波帯という３種類の周波数帯の相対位相の安定のために、光周波数コムの技術導入を検討する。
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